【導讀】自從泰勒斯這位科學老祖記錄摩擦起電和磁石吸鐵這兩個物理現象以來，2000多年過去了，人們對電和磁的理解還是極其有限。無論是中國風水先生用羅盤定乾坤，還是哥倫布靠指南針航海發現新大陸，抑或是諾萊特的奇妙人肉電學實驗，都是止步于電和磁極其常見的現象認識和利用。甚至到19世紀初期，許多人依然認為電和磁風馬牛不相及，電是電，磁是磁，電沒法搞出指南針，磁也沒法生成閃電。然而，當真如此?
如果仔細思考摩擦起電和磁石吸鐵兩個現象，不難發現它們有一個共同特征:吸引作用。富蘭克林認為電之間也存在異種電荷相吸，和磁石的南北極相吸其實一樣，所謂陰陽，是為相吸。
發現電和磁之間的小秘密，需要一點點童話般的幻想，加上細致入微的觀察，還有大量的實驗驗證。19世紀的一個丹麥人，他符合上述所有條件。喔，您別想多了，他不是安徒生。確實，我們偉大的童話大王，安徒生先生，創作了《賣火柴的小女孩》、《丑小鴨》、《海的女兒》等著名的童話故事。他還寫了更多不那么出名的童話，《兩兄弟》就是其一，人物原型是他的一位好基友。話說，這位朋友整整比安徒生大了28歲，是他報考哥本哈根大學的主考官，也算是老師了。或許是暗戀老師的小女兒的緣故，安徒生每年圣誕節都喜歡往老師家里跑，一起吟詩作樂，順便聊聊科學[1]。也許是受到了安徒生這位文藝青年的感染，這位普通的物理系老師依靠他童話般的想象力，發現了一件極其不平凡的事情。某一次物理實驗課，一切似乎都是老樣子，連電路，打開關，講課，斷電，收工。
然而不經意間，一個小磁針放在了電路旁邊，又是不經意間，他注意到開關電一瞬間，小磁針都會擺動幾下。就像童話世界里用魔法棒隔空操控磁針一樣，電就是那根神奇的法杖，萬分激動的這位仁兄差點摔到講臺下面去。之后，這位40多歲的普通物理教師，在實驗室里愣是樂此不彼地玩了三個月的電路和小磁針，宣布發現了電和磁的魔法奧妙——運動的電荷可以讓靜止的磁針動起來(圖1)。1820年7月21日，一篇題為《論磁針的電流撞擊實驗》的4頁短論文發表，署名漢斯·奧斯特，這位安徒生的老師兼好友，一舉成名。
原來，同時期的許多物理學家都在研究靜電和靜磁之間的聯系，但是靜電和磁針之間總是過于冷淡，啥作用都不發生，也無法相互轉換。奧斯特的發現，關鍵在于突破思維框架，在運動的電荷里尋找和磁的相互作用。電和磁之間的小秘密，終于被人們發現。奧斯特這個名字，后來于1934年被命名為磁場強度的單位，簡寫為Oe，沿用至今。
奧斯特的實驗報告猶如投入池塘里的一顆小石子，讓本已歸于平靜的歐洲電磁學研究，激起了層層漣漪。幾位法國科學家在1822年里相繼做出重要貢獻：阿拉戈和蓋·呂薩克發現繞成螺線管的電線可以讓鐵塊磁化；安培發現電流之間也存在相互作用；畢奧·薩伐爾發明了直線電流元理論解釋這些實驗結果。
和庫侖一樣，安培也是一個癡迷于物理研究的富二代科學家，從小就在父親的私人圖書館里接受科學的熏陶，從小學、中學、大學到教授，再到法國科學院院士，學術之路一直順風順水。安培勤于思考各種物理問題，無論何時何地，想起來就根本停不下來。他曾將自己的懷表誤當鵝卵石扔進了塞納河，也曾把街上的馬車當做黑板來推公式。
可以想象這樣一個科學癡人，當他得知奧斯特的實驗結果之后是多么地興奮。安培在第一時間重復了奧斯特的所有實驗，并把結果總結成一個非常簡單的規律——右手螺旋定則[2]。現在，用你的右手，輕輕握住通電流的導線，拇指沿著電流方向，四根手指的指向就是電流對磁針作用力的方向，沒錯，就是環繞電線的一圈(圖2)。安培把電線繞成螺線管，直接就用電流做成了一個“磁鐵”，根據右手定則可以輕松判定這個電流磁鐵的磁極方向。安培利用螺線管原理發明了第一個度量電流大小的電流計，成為電學研究的重要法寶之一(圖3)。既然通電導線會有磁作用力出現，那么兩根通電導線之間也會存在類似的吸引或排斥作用，為此安培同樣總結了電流之間的相互作用規律。
關于電可生磁的奧秘，安培繼承了奧斯特的童話思維模式，想象磁鐵里面也有一群小電精靈，就像一個個電流小圈圈，形成了一大堆小電流磁針，并且指向一致，如同群飛的鳥兒或海洋里群游的魚兒一樣，集體的力量最終形成了極大的磁作用力。安培給他的小小電精靈取了個形象的名字，叫做分子電流。
要知道，那個時代對微觀世界的認識只到分子層次，關于是否存在原子以及原子內部是否有結構屬于超越時代的問題，能創新地想象分子里面有環狀電流已經十分大膽前衛了。雖然分子電流最終被實驗證明并不存在，但是其概念雛形為解釋固體材料里面的磁性起到了拋磚引玉的效果——磁雖然不是來自分子電流，但和材料里的電子運動脫不開關系。為紀念安培的貢獻，后人將電流單位命名為安培，簡寫為A。
好了，我們現在知道，電，可生磁。那么，下一個問題自然是：磁，可以生電嗎？
答案是肯定的。用實驗事實回答這個問題的第一個人，是英國一位僅有小學二年級文憑的年輕人。他不是因為太笨而輟學，而是因為家里實在太窮了——鐵匠老爸想讓兒子早點出去打工，好掙錢養家糊口。可憐的孩子，小小年紀就到倫敦街上去賣報，去文具店站柜臺，還去書店搞裝訂，不為什么，就為混口飯吃不被餓死。幸運的是，科學與貧富無關，窮人的孩子同樣可以對科學感興趣，甚至作出極其重要的科學貢獻。這位叫做邁克爾·法拉第的孩子，利用他在書店打工的機會，用他僅有的小學二年級語文水平，博覽群書，特別是《大英百科全書》。
法拉第對科學非常感興趣，時下最火熱的當屬電學研究，他甚至自己搗鼓起簡單的電學實驗，還拉著小伙伴們一起討論科學問題。看書不能滿足他日益增長的好奇心，法拉第從19歲開始頻繁出現在倫敦市里各種科學講座現場。一位叫做戴維的大科學家用淵博的知識征服了法拉第，很快他就成為戴維爵士的鐵桿忠實粉絲，精心記錄他的每一次演講，并用他的裝訂技術做成了一本《戴維講演錄》，寄給了他作為圣誕禮物。戴維顯然被這位渴望科學知識的窮孩子粉絲感動了，事出湊巧，他在做化學實驗時不幸把眼睛弄傷了，急需一名助手。法拉第同學就這樣，從一個倫敦街頭打工仔，變成了皇家研究所的科研助理。
對其他人來講，無非是換個地方打工，混飯吃的還是繼續混飯吃。然而對于法拉第來說，接觸到真正的科學就等于插上了夢想的翅膀。他毫不介意以仆人的身份陪戴維老師訪遍歐洲科學家們，也從不抱怨老師給的各種化學研究任務，在出色地完成一名科研助理工作的同時，他也努力繼續著電學和磁學的實驗。話說19世紀初的電磁學研究領域大多數都是些不愁吃穿的富家子弟，法拉第在緊衣縮食的情況下，以一個寒門子弟的身份，用大量的物理實驗證實：磁可生電。
磁是如何生電的？關鍵還是三個字：動起來。
既然運動的電荷會產生磁作用力，那么運動的磁鐵也會產生電流。法拉第用磁鐵穿過安培發明的金屬螺線管，發現磁鐵在進入和離開線圈時會產生電流，也發現在兩塊磁鐵間運動的金屬棒會產生電壓(圖4)。法拉第把磁產生電的現象叫做電磁感應，后來美國的亨利研究了感應電流的大小與磁強度之間的關系。俄國的楞次總結出了電磁感應的規律，也就是楞次定律：感應電流的方向與金屬棒和磁鐵相對運動方向相關。
為了更加形象地理解電磁感應現象，法拉第創造性地發明了“磁場”的概念。他認為磁鐵周圍存在一個看不見摸不著的“力場”，就像一根根的磁力線，從磁北極出發跑到磁南極結束。讓金屬棒做切割磁力線的運動，就會產生電壓或電流，電流方向由磁力線與金屬的相對運動方向決定。為了證實磁場的存在，法拉第在各種形狀的小磁鐵周圍撒上了細細的鐵屑，清楚地看到了鐵屑的密度分布(圖5)。力場的概念至今仍然是物理學的最重要理論基礎，沒有之一。法拉第憑借仔細的實驗觀察，非常形象具體地解釋了電磁感應現象。
翻開他的實驗記錄本，里面幾乎找不到一個數學公式，都是一張張精美的手繪實驗圖表，讓人一目了然。正是如此，法拉第的發現非常適合公眾演示，他本人也是一個科普達人，組織過無數次科普講座和演示，并編寫了《蠟燭的故事》，成為科普典范，期待著某一個角落里的某一個孩子能夠走上和他類似的科學之路。法拉第于1825年接任戴維成為皇家研究所的國家實驗室主任，但是他拒絕了皇家會長的提名，也拒絕了高薪等一切會干擾科研工作的東西[3]。為了紀念法拉第的貢獻，后人把電容的單位命名為法拉第，簡寫為F。
動電生磁，動磁生電。多么妙的領悟！
然而，究竟是先有磁，還是先有電呢？如同一個古老爭論不休的問題，究竟是先有雞，還是先有蛋呢？很多人認為當然是先有蛋再有雞，因為原則上雞和鳥類一樣，都是恐龍進化而來，想當年恐龍時代，大伙都下蛋，就沒有聽說過什么叫做雞！但是最近英國科學家發現有一種蛋白質只能在雞的卵巢里產生，這下還是先有雞比較靠譜。也就是說，得先有個叫做“原雞”的動物，下了一個蛋，叫做“雞蛋”(圖6)。那么，有沒所謂的“原磁”或“原電”呢？這才是產生電或磁的根源？
莫慌，莫慌，別凌亂。來自英國劍橋大學的天才，來告訴你答案。
劍橋大學三一學院，偉大的牛頓工作的地方，那里有砸中牛教授的蘋果樹，和萬有引力的智慧，還有許多世界聞名的大科學家。有一天，數學教授霍普金斯去圖書館借一本數學專業書，發現已被一個剛來的年青人借走了。教授找到借書者，看到他正在筆記本上亂糟糟地摘抄書里面的內容，教授對這位年青人敢于讀如此艱深的數學書而驚訝，同時善意提醒他記筆記要注意整潔性——這是學習數學的基本要求。年青人透露了他對數學的興趣動力，因為他對剛讀過的法拉第《電學實驗研究》十分感興趣，但苦于找不到合適的數學工具來理解其中大量的實驗規律。
不久，霍普金斯將他收入門下攻讀研究生，同門師兄還有大名鼎鼎的威廉·湯姆孫(開爾文勛爵)和斯托克斯。1854年，年僅23歲的他順利闖過師兄斯托克斯主持的學位考試，畢業留校任職。有了強悍的數學功底，這位叫做詹姆斯·麥克斯韋的年青人正式開始了電磁學方面的理論研究。一年后，他用兩個微積分方程描述了法拉第的實驗，并發表了論文《論法拉第的力線》。
又過了4年，麥克斯韋轉到倫敦國王學院任教，終于有機會前去拜訪他的偶像——邁克爾·法拉第，這位比他大了整整40歲的著名科學家。一個是實驗高手，一個是理論高手，巔峰對決，頂級交鋒，思維的火花不斷迸發。法拉第顯然對微積分公式感到一片茫然，他趕緊提醒麥克斯韋，要讓實驗學家懂你的理論，最好建立一個物理模型。哥倆決定給這個模型取一個高大上的名字，叫做“以太”，源自亞里士多德，指的是天上除了水、火、氣、土之外的另一種神秘東西。麥克斯韋做到了！他在接下來的論文《論物理學的力線》里，完成了另外兩個描述電磁現象的公式。至此，麥克斯韋的“以太”模型世界里描述電磁理論的方程一共有四個，被稱為“麥克斯韋方程組”，是物理學里面最優美的公式之一(圖7)[4]。
終于，無論是電生磁，還是磁生電，都可以用麥克斯韋方程組來解釋。
這些看不見摸不著的“超距作用”原來就是電場或磁場在作祟。然而事情沒有那么簡單，麥克斯韋發現，這個方程組可以預言一種既有電場又有磁場的東西，而且傳播速度是光速！接下來，他在《電磁場動力學》里用數學論證了這種“電磁波”(時稱“位移電流”)的存在。也就是說，電和磁完全可以在一起，而且，我們天天看到的光，其實就是電磁波！這是何等大膽的推斷！原來電和磁本來就可以不分家的，電里可以有磁，磁里也可以有電，他們同屬于電磁相互作用。究竟是先有電還是先有磁的問題，在麥克斯韋方程組里不攻自破，既然倆娃都不分彼此了，那就甭管誰先誰后的問題了。
1873年，麥克斯韋完成《電磁學通論》一書，宣告電和磁相互作用被統一描述，成為繼牛頓力學之后的第二個集大成者。一個16歲的德國科學家赫茲看到了這本書，決心找到麥克斯韋預言的電磁波。15年后，實驗終于成功，電磁波被證實存在。再往后，馬可尼、愛迪生、特斯拉、倫琴、勞厄等人的發現和發明讓電磁波成為造福人類社會的重要利器(圖8)。
故事遠遠沒有結束。
盡管電和磁都統一了，但是電畢竟是電，磁畢竟是磁，兩者細究起來還是有區別。話說，你吃個雞和吃個蛋，味道能一樣么？至于毛雞蛋，味道更那啥不是。一個簡單的問題，關于電，我們知道有正電荷和負電荷的存在，但是關于磁，為什么沒有聽說過南磁荷和北磁荷的存在？事實是，我們至今沒有發現過！一塊條形磁鐵無論你怎么切，每一塊都是有南北極同時存在。仔細看麥克斯韋方程組就會發現，里面電場是有源的，而磁場是無源的。這……，何解？
1879年，麥克斯韋去世。同年，愛因斯坦出生。麥克斯韋方程里提到的物理模型——“以太”，最終在19世紀末引發了物理學的一場革命，愛因斯坦是發起這場革命的中堅力量。再之后，相對論和量子力學建立，電磁學的研究進入到了一個嶄新的時代。又是一個英國的年青人，叫做保羅·狄拉克，建立了一個相對論形式的量子力學波動方程——狄拉克方程(圖9)[5]。在這個方程里面，不僅存在帶負電的電子(負電子)，也存在帶正電的電子(正電子)，還預言了只有南極或北極的磁單極子。關于磁單極子的尋找，至今仍然是一個謎。雖然近幾年科學家們在一種叫做自旋冰的固體材料里面發現了類似磁單極子的準粒子(圖10)，但嚴格來說它并非是我們理解的單粒子，只是可以用磁單極子的理論來描述[6]。
隨著對微觀世界認識的不斷深入，人們逐漸了解到，宏觀的電磁現象實際上都來自于材料內部微觀電子的排布方式和相互作用模式。而電磁相互作用力，屬于自然界四大基本相互作用力之一。關于電磁學的研究，一直在繼續。
推薦閱讀：
